CN115683365A - 一种基于量子频率上转换的可调谐量子拍频干涉装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于量子频率上转换的可调谐量子拍频干涉装置，涉及激光技术、非线性光物理技术和量子光学技术领域。本发明包括：通过自发参量下转换产生宽谱简并光子对，两个光子在分束器进行干涉，干涉后的两路输出光子分别输入到和频上转换模块进行上转换后，然后进行探测。本发明通过临界相位匹配的自发参量下转换过程，结合和频上转换过程的波长和温度调谐特性，实现两个干涉光子之间的中心频率连续可调谐，从而可以实现一种简单便捷的可调谐量子拍频干涉。结构紧凑，光路系统简单，在此基础上适合进一步拓展演化为一种高质量的可调谐离散频率纠缠产生与探测系统，为基于频率纠缠的量子精密测量应用奠定基础，具备广泛的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术、非线性光物理技术和量子光学技术领域，特别是涉及一种基于量子频率上转换的可调谐量子拍频干涉装置。
背景技术
自1987年首次观测到HOM干涉（Hong-Ou-Mandel (HOM)干涉，是光子的一种非经典效应）现象以来，该现象不仅在量子光学和量子信息中被广泛采用，同时还被用于干涉计量学研究。与单光子干涉相似，HOM干涉也可以被广泛用于光学路径延迟的精确测量，然而与单光子干涉不同的是其干涉结果不依赖于光子的相对相位，因此不需要复杂的相位稳定反馈措施实现高精度的干涉。现如今，HOM干涉技术可以实现阿秒级的光程测量精度（纳米级）。基于如此高的时间精度，HOM干涉被广泛用于光学相干层析和光学色散吸收系数测量。
1988年，基于同样的实验装置，Ou和Mandel等人将两个中心波长有一定差距的干涉滤波片放在探测器之前，他们观测到了双光子的空间拍频现象。在2009年，Ramelow等人通过制备离散的频率纠缠源并且观测到了量子拍频现象。自此空间量子拍频是表征离散频率纠缠的标准方法，通过拍频可以确定频率纠缠的频率间隔和频率带宽。最近，厦门大学陈理想教授研究组通过温度调谐，实现了离散频率纠缠光子的频率间隔的调谐，基于此实现了高精度的光学参数测量。对比最早的量子拍频方案和最新的可调谐离散频率纠缠方案可以发现，两种方案的目标都是实现量子拍频现象，主要区别是前者先制备简并光子对然后通过后选择滤波方式实现，后者在源端制备频率非简并的光子对。
还如中国专利CN113804303A提供一种基于双拍频单辅助干涉仪的分布式双向偏振测量装置，通过一个辅助干涉仪使用半反半透镜和全反射镜，利用不同光程差产生双拍频信号去匹配校正光源的扫频非线性，并快速获得光纤器件的透反射信息，又如中国专利CN111207667B公开了一种基于光学参量放大器的量子干涉仪装置，利用两个光学参量放大器实现了干涉仪的相敏场强放大和噪声压缩，能够实现高灵敏度的位相测量，等等诸如此类技术均致力于精密测量技术。
因此，如果可以实现一种高度可控的空间量子拍频，可以为精密测量应用带来极大的便利。
鉴于此，有必要发展一种简单高效的可调谐量子拍频干涉装置，该量子拍频干涉装置可以为基于离散频率干涉的量子精密测量带来极大的便利。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于量子频率上转换的可调谐量子拍频干涉装置，通过自发参量下转换产生宽谱简并光子对，两个光子在分束器进行干涉，干涉后的两路输出光子分别输入到和频上转换模块进行上转换后，然后进行探测。通过改变两个光子到达偏振分束器的时间可以观察到量子拍频现象，拍频的周期可以通过改变两个量子频率变换模块的相位匹配条件连续调谐，解决了现有的问题，用于量子拍频中可以实现干涉结果的可调谐特性。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
作为本发明提供的第一个方面，本发明为一种基于量子频率上转换的可调谐量子拍频干涉装置，基于量子频率上转换的可调谐干涉装置的设计、晶体的参数选择、位相匹配的实现和可调谐量子拍频的特点，基于量子频率上转换的可调谐干涉装置具体包括：
自发参量下转换泵浦激光模块：其通过两束激光和频产生泵浦激光或通过单束激光倍频产生泵浦激光或通过激光器产生泵浦激光；所述自发参量下转换泵浦激光模块包括双色镜一，所述双色镜一用于实现钛宝石激光器和掺铒激光放大器传输的激光的合束；所述自发参量下转换泵浦激光模块还包括依次设置于双色镜一之后的聚焦透镜一、周期性极化晶体一、准直透镜一、双色镜二、带通滤波器、光纤准直器一、单模光纤一；自发参量下转换泵浦激光模块可以用于产生最高80mW的539.5nm的泵浦激光用于后续的自发参量下转换实验；
自发参量下转换模块：其采用KTP晶体中的临界相位匹配方法实现泵浦激光的自发参量下转换过程，所述自发参量下转换模块包括依次设置的准直器、波片组一、聚焦透镜二、准直透镜二、KTP晶体、干涉滤波片、偏振分束器、两个波片组二以及分别与两个波片组二相对应的光纤准直器二，还包括分别与两个光纤准直器二相对应的单模光纤二，所述KTP晶体通过控温装置保持温度恒定，从而保证辐射波长的稳定性；
双光子干涉模块，其包括非偏振分束器，所述非偏振分束器的两个输入端口与自发参量下转换模块连接，用于信号和闲频光子输入，干涉后的光子通过非偏振分束器的两个输出端口输出至两个和频上转换模块；
两个和频上转换模块，用于非偏振分束器输出的两路光子的频率上转换，通过动态调节上转换过程的中心频率以实现可调谐的量子拍频；通过改变两个光子到达偏振分束器的时间可以观察到量子拍频现象，拍频的周期可以通过改变两个和频上转换模块的相位匹配条件连续调谐；
光子探测与符合模块，其包括两个硅单光子探测器、一个符合计数模块，通过对比转换前后的光子符合计数效率获取上转换后的系统探测效率。
进一步地，所述钛宝石激光器的波长调谐范围为600nm～900nm，输出功率大于1.5W，频率线宽为100kHz；所述掺铒激光放大器中心波长为1549.92nm；所述周期性极化晶体一为type-0 PPKTP晶体，用于将双色镜合束后聚焦的激光和频产生和频光束；所述双色镜二用于和频光束中泵浦激光的分离；所述带通滤波器用于和频光束的提取；所述光纤准直器一用于将和频光束耦合进单模光纤一；所述单模光纤一用于激光的传输。
进一步地，所述波片组一包括一个四分之一波片和一个二分之一波片，用于调节泵浦激光的偏振，以满足KTP晶体中的临界相位匹配过程；所述干涉滤波片用于滤除可见泵浦激光；所述偏振分束器用于偏振正交的两路光子的分离；所述波片组二包括一个四分之一波片和一个二分之一波片，用于对耦合进光路中的光子进行偏振控制；所述KTP晶体为x切晶体，尺寸为8mm*5mm*5mm，两个端面镀不同厚度的增透膜。
进一步地，所述非偏振分束器的两个输入端口分别与两个单模光纤二连接，用于信号和闲频光子输入，干涉后的光子通过与非偏振分束器的两个输出端口连接的单模光纤三输出，所述非偏振分束器的光纤分束比为50:50。
进一步地，所述和频上转换模块包括：依次设置的泵浦激光器、波片组三、聚焦透镜三、双色合束镜、周期性极化晶体二、双色镜三、上转换光子准直透镜、干涉滤光片、准直器三、单模光纤四；和频上转换模块还包括连接在单模光纤三上的准直器四以及依次布置在准直器四后的波片组四、聚焦透镜四、45度全反射镜，经45度全反射镜反射后的光束照射在双色合束镜上。不仅中心拍频光子的中心频率可调，另外对于1.0微米以上的光子，还可以实现高效率上转换探测，提升整个系统的探测效率和性能。
进一步地，所述泵浦激光器为掺铒光纤放大器，最高输出功率为10W；所述波片组三、波片组四均包括一个四分之一波片、一个二分之一波片；所述双色合束镜对泵浦激光器的泵浦激光高透、对波片组四传输的光子全反；所述周期性极化晶体二的晶体尺寸为40mm*1mm*0.5mm，极化周期为11.70um，晶体两个端面镀不同厚度的增透膜；所述双色镜三对上转换光子高透、对泵浦激光器和波片组四传输的激光和光子高反；所述干涉滤光片用于滤除泵浦激光和其他杂散光子噪声；所述单模光纤四用于连接单光子探测器。
本发明基于简并自发参量下转换过程，结合量子频率上转换技术，在实现高效率的光子上转换探测的同时，能够通过温度或者泵浦波长进行调谐，实现探测光子频率的选择，从而实现可调谐的量子拍频。该装置将会给基于量子拍频的精密测量应用带来极大的便利。
作为本发明提供的第二个方面，基于量子频率上转换的可调谐干涉装置，用于和频上转换的所述周期性极化晶体二为PPLN晶体或PPKTP晶体或PPSLT晶体，通过选择PPLN晶体或PPKTP晶体或PPSLT晶体、替换泵浦激光的类型和波长、选择光学器件的参数，实现不同波长的可调谐量子拍频，具有机构简单，使用方便，在未来的科学研究和相关测量领域将发挥重要的作用。
作为本发明提供的第二个方面，基于量子频率上转换的可调谐干涉装置，用于双光子中心频率的连续可调，还用于通过量子上转换过程增强系统探测效率，尤其针对较长波长下缺乏高效率的单光子探测器的情形，通过对比转换前后的光子符合计数效率，发明人发现上转换后的系统探测效率相对于未转换前的探测具有超过10倍的提升。
本发明具有以下有益效果：
本发明基于简并自发参量下转换过程，结合量子频率上转换技术，在实现高效率的光子上转换探测的同时，能够通过温度或者泵浦波长进行调谐，实现探测光子频率的选择，从而实现可调谐的量子拍频，本发明将会给基于量子拍频的精密测量应用带来极大的便利。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于量子频率上转换的可调谐干涉装置的光路结构示意图；
图2为本发明实施例一对应的光路结构示意图；
图3（a）为本发明中上转换晶体的量子效率曲线；
图3（b）为本发明中上转换晶体的波长调谐曲线；
图3（c）为本发明中上转换晶体的温度调谐曲线示意图；
图4（a）为无SFG时的HOM干涉测量结果示意图；
图4（b）为只引入一个上转换模块的情况进行双光子干涉测量结果示意图；
图4（c）为只引入一个上转换模块的情况进行双光子干涉测量结果的示意图；
图4（d）为只引入一个上转换模块的情况进行双光子干涉测量结果的示意图；
图4（e）为只引入一个上转换模块的情况进行双光子干涉测量结果的示意图；
图4（f）为图4（b）到图4(e)中的数据求和的结果；
图4（g）为引入两个上转换模块的情况进行双光子干涉测量结果的示意图；
图4（h）为引入两个上转换模块的情况进行双光子干涉测量结果的示意图；
图4（i）为引入两个上转换模块的情况进行双光子干涉测量结果的示意图；
图4（j）为引入两个上转换模块的情况进行双光子干涉测量结果的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明为一种基于量子频率上转换的可调谐量子拍频干涉装置，可调谐滤波器的实现方法是基于量子频率上转换过程，量子频率上转换在改变光子的频率的同时，不改变光子间的量子相干性，与此同时量子频率变换借助于二阶非线性和频过程，该过程由于需要满足相位匹配条件，自身具有带通滤波的作用，另外带通滤波的中心波长和带宽可以自由设计和调节，中心波长的调节可以通过改变晶体温度和泵浦波长实现，带宽大小可以通过晶体长度和设计特殊的极化结构实现。量子频率变换在量子信息领域被广泛应用，如实现量子频率接口、制备短波长NOON态光子以及图像的频率上转换探测等。
实施例一：
如图1所示，为本发明提供的实施例一涉及的基于量子频率上转换的可调谐干涉装置对应的光路结构示意图，基于量子频率上转换的可调谐干涉装置包括：自发参量下转换泵浦激光模块 Pump ；自发参量下转换模块 SPDC ；和频上转换模块1 SFG1；和频上转换模块2 SFG2；双光子干涉模块 BS；硅单光子探测器 D1、D2和符合计数模块 C.C.；其具有机构简单，使用方便，在未来的科学研究和相关测量领域将发挥重要的作用。
作为本发明提供的一个实施例，优选的，基于量子频率上转换的可调谐干涉装置的设计、晶体的参数选择、位相匹配的实现和可调谐量子拍频的特点，具体实现方式如下：
如图2所示，自发参量下转换泵浦激光模块 Pump 通过两束激光和频产生泵浦激光，自发参量下转换模块 SPDC是通过KTP晶体中的临界相位匹配实现；双光子干涉模块是由光纤分束器完成，和频上转换模块是由另外一束泵浦激光和自发参量过程中的一个光子组成；硅单光子探测器 D1、D2和符合计数模块由两个硅单光子探测器和一个符合计数卡组成。基于简并自发参量下转换过程，结合量子频率上转换技术，在实现高效率的光子上转换探测的同时，能够通过温度或者泵浦波长进行调谐，实现探测光子频率的选择，从而实现可调谐的量子拍频。该装置将会给基于量子拍频的精密测量应用带来极大的便利。
作为本发明提供的一个实施例，优选的，如图2所示，自发参量下转换泵浦激光模块Pump通过两束激光和频产生泵浦激光或通过单束激光倍频产生泵浦激光或通过半导体激光产生泵浦激光；更进一步地，所述自发参量下转换泵浦激光模块包括双色镜一3，所述双色镜一3用于实现钛宝石激光器1和掺铒激光放大器2传输的激光的合束；所述自发参量下转换泵浦激光模块还包括依次设置于双色镜一3之后的聚焦透镜一4、周期性极化晶体一5、准直透镜一6、双色镜二7、带通滤波器8、光纤准直器一9、单模光纤一10，该模块可以用于产生最高80mW的539.5nm的泵浦激光用于后续的自发参量下转换实验。
作为本发明提供的一个实施例，更进一步的，所述钛宝石激光器1的波长调谐范围为600nm～900nm，输出功率大于1.5W，频率线宽为100kHz；在本实例中钛宝石激光器1的输出波长调谐到827.52nm；
所述掺铒激光放大器2中心波长为1549.92nm；双色镜一3用于实现钛宝石激光器1和光纤激光（掺铒激光放大器2传输）的合束；
所述周期性极化晶体一5为type-0 PPKTP晶体，用于将双色镜合束后聚焦的激光和频产生和频光束，在本实施例中，即将827.52nm、1549.92nm的激光和频产生539.50nm激光；
所述双色镜二7用于和频光束中泵浦激光的分离；
所述带通滤波器用于和频光束的提取，在本实施例中，即用于539.50nm激光的提取；
所述光纤准直器一9用于将和频光束耦合进单模光纤一10，在本实施例中，即用于将539.5nm激光耦合进单模光纤一10；
所述单模光纤一用于激光的传输，单模光纤一10为539.5nm单模光纤，用于该激光的传输。
作为本发明提供的一个实施例，优选的，如图2所示：所述自发参量下转换模块SPDC包括依次设置的准直器11、波片组一12、聚焦透镜二13、准直透镜二15、KTP晶体14、干涉滤波片16、偏振分束器17、两个波片组二18、19以及分别与两个波片组二相对应的光纤准直器二20、21，还包括分别与两个光纤准直器二相对应的单模光纤二22、23；自发参量下转换模块SPDC采用KTP晶体14中的临界相位匹配方法实现泵浦激光的自发参量下转换过程。
作为本发明提供的一个实施例，更进一步的，所述波片组一12为539.50nm波片组，包括一个四分之一波片和一个二分之一波片，用于调节泵浦激光的偏振，以满足KTP晶体14中的临界相位匹配过程；
所述干涉滤波片16用于滤除可见泵浦激光；
所述偏振分束器17用于偏振正交的两路光子的分离；
所述波片组二18、19为1079nm波片组，包括一个四分之一波片和一个二分之一波片，用于对耦合进单模光纤一的光子进行偏振控制；
光纤准直器二20、21为1079nm光纤准直器；单模光纤二22、23为1079nm单模光纤，
所述KTP晶体为x切晶体，尺寸为8mm*5mm*5mm（分别是长*宽*厚，以下相同），两个端面镀539.5nm和1079nm增透膜，所述KTP晶体通过精密控温装置保持温度恒定，从而保证辐射波长的稳定性。
作为本发明提供的一个实施例，优选的，双光子干涉模块BS包括非偏振分束器24，非偏振分束器24采用光纤型分束器，所述非偏振分束器的两个输入端口与自发参量下转换模块连接，用于信号（在自发参量下转换模块 SPDC中，经过自发参量下转换过程，在晶体中会产生一对关联光子，分别称为信号光光子与闲频光光子。自发参量下转换模块 SPDC的端口22，23分别和双光子干涉模块BS的22，23是连接的。自发参量下转换模块 SPDC的过程，它将输入的激光（所谓的泵浦光），通过二阶非线性光学相互作用，转换成两个的频率较低的输出光（信号光和闲频光），两个输出光的频率之和等于输入光频率。 由于历史的原因，两个输出光被称为“信号光”和“闲频光”，其信号光为输出的频率较高的光，对应波长较短）和闲频光子输入，干涉后的光子通过非偏振分束器的两个输出端口输出至两个和频上转换模块；作为本发明提供的一个实施例，更进一步的，所述非偏振分束器24的两个输入端口分别与两个单模光纤二22、23连接，用于信号和闲频光子输入，干涉后的光子通过与非偏振分束器24的两个输出端口连接的单模光纤三25、26输出，所述非偏振分束器的光纤分束比为50:50。
作为本发明提供的一个实施例，优选的，两个和频上转换模块SFG1和SFG2的功能一样，分别实现光纤非偏振分束器输出的两路光子的频率上转换，通过动态调节上转换过程的中心频率以实现可调谐的量子拍频。
作为本发明提供的一个实施例，更进一步的，和频上转换模块SFG1包括：依次设置的泵浦激光器30、波片组三31、聚焦透镜三32、双色合束镜33、周期性极化晶体二34、双色镜三35、上转换光子准直透镜36、干涉滤光片37、准直器三38、单模光纤四39，还包括连接在单模光纤三25上的准直器四26以及依次布置在准直器26四后的波片组四27、聚焦透镜四28、45度全反射镜29，经45度全反射镜反射后的光束照射在双色合束镜33上；其中，泵浦激光器30为1533.76nm 掺铒光纤放大器，最高输出功率为10W；其中26和38分别为1079nm准直器和633nm准直器；27和31分别为1079nm波片组和1533.76nm波片组，每组波片包含一个四分之一、一个二分之一波片各一个；28和32分别为1079nm和1553.76nm聚焦透镜；29为1079nm45度全反射镜；33为双色合束镜，对1533.76nm泵浦激光高透，对1079nm光子全反；34为PPLN晶体，晶体尺寸为40mm*1mm*0.5mm，极化周期为11.70um，晶体两个端面镀1533.76nm、1079nm和633nm增透膜（两个端面的镀膜是一致的，均为同时对三个波长增透，AR@1533.76nm&1079nm&633nm，以下相同）；35为双色镜，对633nm上转换光子高透，对于1533.76nm和1079nm激光和光子高反；36为上转换633.0nm光子准直透镜；37干涉滤光片，进一步滤除泵浦激光和其他杂散光子噪声；39为633nm单模光纤，用于连接单光子探测器。
作为本发明提供的一个实施例，更进一步的，和频上转换模块SFG2包括：依次设置的泵浦激光器30、波片组三44、聚焦透镜三45、双色合束镜46、周期性极化晶体二47、双色镜三48、上转换光子准直透镜49、干涉滤光片50、准直器三51、单模光纤四52；还包括连接在单模光纤三26上的准直器四40以及依次布置在准直器四40后的波片组四41、聚焦透镜四42、45度全反射镜43，经45度全反射镜43反射后的光束照射在双色合束镜46上；其中，泵浦激光器为30为1533.76nm 掺铒光纤放大器激光，最高输出功率为10W；其中40和51分别为1079nm准直器和633nm准直器；41和44分别为1079nm波片组和1533.76nm波片组，每组波片包含四分之一、一个二分之一波片各一个；42和45分别为1079nm和1553.76nm聚焦透镜；43为1079nm45度全反射镜；46为双色合束镜，对1533.76nm泵浦激光高透，对1079nm光子全反；47为PPLN晶体，晶体尺寸为40mm*1mm*0.5mm，极化周期为11.70um，晶体两个端面镀1533.76nm、1079nm和633nm增透膜；48为双色镜，对633nm上转换光子高透，对于1533.76nm和1079nm激光和光子高反；49为上转换633.0nm光子准直透镜；50干涉滤光片，进一步滤除泵浦激光和其他杂散光子噪声；52为633nm单模光纤，用于连接单光子探测器。
由于采用两个和频上转换模块来代替传统的带通滤波器，不仅中心拍频光子的中心频率可调，另外对于1.0微米以上的光子，还可以实现高效率上转换探测，提升整个系统的探测效率和性能。本实施例所提供的可调谐量子拍频方案目前在国际上尚无任何报道，该可调谐量子拍频方法可以促进基于拍频干涉的量子精密测量领域的发展。
作为本发明提供的一个实施例，优选的，光子探测与符合模块包括两个硅单光子探测器、一个符合计数模块，通过对比转换前后的光子符合计数效率获取上转换后的系统探测效率。
作为本发明提供的一个实施例，更进一步的，如图2所示，光子探测与符合模块包含两个硅单光子探测器53、54和一个符合计数模块55，硅单光子探测器基于雪崩探测原理，可选型号在633nm的量子效率尽量高，符合计数模块55具有可变的时间窗口和延迟，作为本发明提供的一个实施例，更进一步的，比如可以选择pico Quanta的timeharp 260 pico版本的计数器板卡。
实施例二：
基于实施例一，为了实现基于量子频率上转换的可调谐干涉装置，还需进行实施例二提供的设计和组装步骤。
作为本发明提供的再一个实施例，优选的，首先要完成的设计是确定用于满足和频产生539.5nm泵浦激光、自发参量下转换产生1079nm光子对和和频上转换产生633.0nm的三种类型的晶体，目前可供选择的准相位匹配晶体主要有PPKTP、PPLN和PPSLT等，角度匹配晶体包括KTP、LBO和BBO等。在本发明实施例二中，根据需要和不同晶体的特点，采用type-0准相位匹配的PPKTP晶体和PPLN晶体用于539.5nm泵浦激光和下参量光子的和频上转换，采用x-切的KTP晶体中的临界相位匹配实现自发参量下转换过程。对于准相位匹配晶体中的非线性和频过程，需要满足满足能量守恒和准相位匹配条件要求：
能量守恒要求：
；
准相位匹配条件要求：
；
其中，
为泵浦激光、待和频光束与和频光束的波矢，
为极化周期，
为波长，n为折射率；因此可以通过设计晶体的极化周期
，m为准相位匹配的阶数，通过相位匹配关系可以确定满足条件的非线性转换过程，通过将PPKTP和PPLN晶体的色散方程代入相位匹配关系，我们可以从理论上确定满足相位匹配的非线性过程.对于KTP晶体中的临界相位匹配，相当于极化周期为无穷大的情况，通过KTP晶体的色散方程，我们可以在539.5nm到1079nm的自发参量下转换过程满足临界相位匹配条件。
作为本发明提供的再一个实施例，优选的，为了的到可调谐的离散频率纠缠源，如图1所示，两个和频过程（对应SFG1和SFG2）可以被看做是一个中心频率为
和
的可调谐窄带滤波器，当
，其产生频率纠缠态可以表示为
，当观察上转换后的光子 符合计数时，其符合计数概率满足以下公式：
在公式中τ为信号光子（为SPDC过程产生的信号光光子和闲频光光子，即对应到22端口和23端口传输的信号光子）和闲频光子到达光纤非偏振分束器的时间差，
为和频过程的转换带宽。通过上面公式可以看出，通过动态调节上转换过程的中心频率可以实现可调谐的量子拍频。
作为本发明提供的再一个实施例，更为优选的，为了证明上转换过程能够实现可调谐的量子拍频，需要先对PPLN晶体和频过程中的量子效率、波长和温度调谐特性进行表征，其结果如图3（a）、图3（b）、图3（c）所示。和频过程量子效率的表达式为
，其中P为实际泵浦功率，Pmax为量子效率为100%时最佳泵浦功率，两块晶体（和频上转换模块的两块晶体，分别是SFG1和SFG2，均为PPLN晶体）的最佳转换泵浦功率约为33W和34W，在测试泵浦功率（指的是实际实验中用到的泵浦光功率，约是10W）下的晶体（即和频上转换模块1 SFG1；和频上转换模块2 SFG2对应的晶体）内部量子效率为56%和50%，考虑到单模光纤的耦合损耗和滤波损耗，系统量子效率为25%和20%。为了测试晶体的波长带宽，将两块晶体的温度固定在114.9 ℃ 和133.9 ℃，测试获得上转换过程的波长带宽为0.2nm。通过进一步测试最佳匹配温度与信号波长的关系，得到两块晶体的波长温度调节系数为0.173 nm/℃ 和 0.182 nm/℃。
作为本发明提供的再一个实施例，优选的，为了说明可调谐的量子拍频现象，分阶段和步骤进行双光子干涉测量，如图4（a）到图4（j）所示，图4（a）是无SFG时的HOM干涉；图4（b）-图4(e)是只引入一个上转换模块的情况；图4（g）-图4(j)是引入两个上转换模块的情况；图4（f）为图4（b）-图4(e)中的数据求和的结果；图4（a）、图4（b）和图4（g）是简并情况下的HOM干涉；各附图中通过曲线拟合获得的光子之间的频率差如下：
图4(c) 0.176±0.002 THz (0.681±0.007 nm)；
图4(d) 0.360±0.004 THz (1.40±0.014 nm)；
图4(e) 0.530±0.011 THz (2.060±0.041 nm)；
图4(h) 0.192 ± 0.003 THz (0.743± 0.012 nm)；
图4(i) 0.372 ± 0.002 THz (1.444± 0.008 nm)；
图4(j) 0.553±0.004 THz (2.148±0.015 nm)；
图4（a）、图4（b）和图4（g）为简并情况，则不存在频率差。
理论模拟的频率差为：
图4(c) 0.183±0.005 THz (0.692±0.017 nm)；
图4(d) 0.366±0.005 THz (1.384±0.017 nm)；
图4(e) 0.549±0.005 THz (2.076±0.017 nm)；
图4(h) 0.188± 0.009 THz (0.710 ± 0.036 nm)；
图4(i) 0.376± 0.009 THz (1.420 ± 0.036 nm)；
图4(j) 0. 564± 0.009 THz (2.130 ± 0.036 nm)。
定义干涉可见度为
，其中C为最大干涉时的计数，Cmin为最小干涉时的符合计数。在此定义下，图4(a)-图4(e)的干涉可见度分别为 94.13 %、94.38 %、99.28%、96.67 %和 88.34 % ；图4(g)-图4(j)的干涉可见度分别为99.62 %、99.21 %、98.23 %和90.76 %；图4（f）为图4(b)-图4(e)的数据求和，所以没有。
作为本发明提供的再一个实施例，优选的，基于上转换的可调谐量子拍频除了具有连续可调的光子频率差，还可以实现系统探测效率的提升，尤其针对较长波长下缺乏高效率的单光子探测器的情形。通过对比转换前后的光子符合计数效率，我们发现上转换后的系统探测效率相对于未转换前的探测具有超过10倍的提升。
其中，PPKTP，周期极化磷酸钛氧钾（Periodically Poled KTP crystal， PPKTP）；
PPLN，周期极化铌酸锂（Periodically Poled LiNbO3 crystal， PPLN）；
PPSLT，周期极化钽酸锂（Periodically Poled Stoichiometric LithiumTantalite crystal， PPSLT）。
实施例三：
作为本发明提供的再一个实施例，优选的，用于和频上转换的所述周期性极化晶体二为PPLN晶体或PPKTP晶体或PPSLT晶体。作为本发明提供的再一个实施例，更为优选的，通过选择PPLN晶体或PPKTP晶体或PPSLT晶体、替换泵浦激光的类型和波长、选择光学器件的参数，实现不同波长的可调谐量子拍频。
实施例四：
作为本发明提供的再一个实施例，优选的，所述可调谐量子拍频干涉装置用于双光子中心频率的连续可调，还用于通过量子上转换过程增强系统探测效率。通过自发参量下转换产生宽谱简并光子对，两个光子在分束器进行干涉，干涉后的两路输出光子分别输入到和频上转换模块进行上转换后，然后进行探测。通过改变两个光子到达偏振分束器的时间可以观察到量子拍频现象，拍频的周期可以通过改变两个量子频率变换模块的相位匹配条件连续调谐。
一种基于量子频率上转换的可调谐量子拍频干涉装置，基于简并自发参量下转换过程，结合量子频率上转换技术，在实现高效率的光子上转换探测的同时，能够通过温度或者泵浦波长进行调谐，实现探测光子频率的选择，从而实现可调谐的量子拍频，本发明将会给基于量子拍频的精密测量应用带来极大的便利。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (10)
1.一种基于量子频率上转换的可调谐量子拍频干涉装置，其特征在于，包括：
自发参量下转换泵浦激光模块：其通过两束激光和频产生泵浦激光或通过单束激光倍频产生泵浦激光或通过激光器产生泵浦激光；
自发参量下转换模块：其采用KTP晶体中的临界相位匹配方法实现泵浦激光的自发参量下转换过程；
双光子干涉模块，其包括非偏振分束器，所述非偏振分束器的两个输入端口与自发参量下转换模块连接，用于信号和闲频光子输入，干涉后的光子通过非偏振分束器的两个输出端口输出至两个和频上转换模块；
两个和频上转换模块，用于非偏振分束器输出的两路光子的频率上转换，通过动态调节上转换过程的中心频率以实现可调谐的量子拍频；
光子探测与符合模块，其包括两个硅单光子探测器、一个符合计数模块，通过对比转换前后的光子符合计数效率获取上转换后的系统探测效率。
2.根据权利要求1所述的一种基于量子频率上转换的可调谐量子拍频干涉装置，其特征在于：
所述自发参量下转换泵浦激光模块包括双色镜一，所述双色镜一用于实现钛宝石激光器和掺铒激光放大器传输的激光的合束；
所述自发参量下转换泵浦激光模块还包括依次设置于双色镜一之后的聚焦透镜一、周期性极化晶体一、准直透镜一、双色镜二、带通滤波器、光纤准直器一、单模光纤一。
3.根据权利要求2所述的一种基于量子频率上转换的可调谐量子拍频干涉装置，其特征在于：
所述钛宝石激光器的波长调谐范围为600nm～900nm，输出功率大于1.5W，频率线宽为100kHz；
所述掺铒激光放大器中心波长为1549.92nm；
所述周期性极化晶体一为type-0 PPKTP晶体，用于将双色镜合束后聚焦的激光和频产生和频光束；
所述双色镜二用于和频光束中泵浦激光的分离；
所述带通滤波器用于和频光束的提取；
所述光纤准直器一用于将和频光束耦合进单模光纤一；
所述单模光纤一用于激光的传输。
4.根据权利要求1所述的一种基于量子频率上转换的可调谐量子拍频干涉装置，其特征在于：所述自发参量下转换模块包括依次设置的准直器、波片组一、聚焦透镜二、准直透镜二、KTP晶体、干涉滤波片、偏振分束器、两个波片组二以及分别与两个波片组二相对应的光纤准直器二，还包括分别与两个光纤准直器二相对应的单模光纤二；
所述波片组一包括一个四分之一波片和一个二分之一波片，用于调节泵浦激光的偏振，以满足KTP晶体中的临界相位匹配过程；
所述干涉滤波片用于滤除可见泵浦激光；
所述偏振分束器用于偏振正交的两路光子的分离；
所述波片组二包括一个四分之一波片和一个二分之一波片，用于对耦合进光路中的光子进行偏振控制；
所述KTP晶体为x切晶体，尺寸为8mm*5mm*5mm，两个端面镀不同厚度的增透膜，所述KTP晶体通过控温装置保持温度恒定。
5.根据权利要求4所述的一种基于量子频率上转换的可调谐量子拍频干涉装置，其特征在于，所述非偏振分束器的两个输入端口分别与两个单模光纤二连接，用于信号和闲频光子输入，干涉后的光子通过与非偏振分束器的两个输出端口连接的单模光纤三输出，所述非偏振分束器的光纤分束比为50:50。
6.根据权利要求1所述的一种基于量子频率上转换的可调谐量子拍频干涉装置，其特征在于：所述和频上转换模块包括：
依次设置的泵浦激光器、波片组三、聚焦透镜三、双色合束镜、周期性极化晶体二、双色镜三、上转换光子准直透镜、干涉滤光片、准直器三、单模光纤四；
和频上转换模块还包括连接在单模光纤三上的准直器四以及依次布置在准直器四后的波片组四、聚焦透镜四、45度全反射镜，经45度全反射镜反射后的光束照射在双色合束镜上。
7.根据权利要求6所述的一种基于量子频率上转换的可调谐量子拍频干涉装置，其特征在于：
所述泵浦激光器为掺铒光纤放大器，最高输出功率为10W；
所述波片组三、波片组四均包括一个四分之一波片、一个二分之一波片；
所述双色合束镜对泵浦激光器的泵浦激光高透、对波片组四传输的光子全反；
所述周期性极化晶体二的晶体尺寸为40mm*1mm*0.5mm，极化周期为11.70um，晶体两个端面镀不同厚度的增透膜；
所述双色镜三对上转换光子高透、对泵浦激光器和波片组四传输的激光和光子高反；
所述干涉滤光片用于滤除泵浦激光和其他杂散光子噪声；
所述单模光纤四用于连接单光子探测器。
8.根据权利要求7所述的一种基于量子频率上转换的可调谐量子拍频干涉装置，其特征在于，用于和频上转换的所述周期性极化晶体二为PPLN晶体、PPKTP晶体、PPSLT晶体中任一种。
9.根据权利要求8所述的一种基于量子频率上转换的可调谐量子拍频干涉装置，其特征在于，通过选择PPLN晶体或PPKTP晶体或PPSLT晶体、替换泵浦激光的类型和波长、选择光学器件的参数，实现不同波长的可调谐量子拍频。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种基于量子频率上转换的可调谐量子拍频干涉装置，其特征在于，所述可调谐量子拍频干涉装置用于双光子中心频率的连续可调，还用于通过量子上转换过程增强系统探测效率。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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